基于啟帆STS工業機器人基本技術及應用探討*

李偉華，王 偉，李興和，楊 林，羅安柳

（廣州啟帆工業機器人有限公司，廣州 511356）

0 引言

目前中國已成為世界上工業機器人增速最快的國家和市場，而且將繼續保持高速增長，不久將成為全球裝機數量最多的國家[1-2]。國內機器人產業爆發性發展態勢，勢必引發大量從業人員的需求。市面上機器人培訓費用高，文獻資料注重理論且抽象，宏觀行業宣傳過多[3-5]而基本技術、實際應用講解很少且缺乏體系、范例等，不便于新從業人員快速學習和理解，因此，撰寫工業機器人基本技術及應用的文章是很有必要的。本文以啟帆STS工業機器人為研究對象，系統介紹了工業機器人定義、特點、發展趨勢、系統組成、技術指標及典型應用，不僅能幫助新人快速認識和理解工業機器人，也可為現有從業人員提供參考。

1 工業機器人

工業機器人的定義有很多種[1]，如美國RIA、日本JIRA、中國、ISO 等，但目前大多遵循ISO 的定義：一種能自動控制，可重復編程，多功能、多自由度的操作機，能搬運工件、材料或操持工具來完成各種作業。工業機器人通常具有4 個顯著的特點：（1）特定的機械機構模仿人或動物肢體，能完成相應肢體動作，典型代表是機械手臂；（2）通用性能靈活改變動作程序，能從事多種作業，比如分揀、搬運、碼垛等；（3）一定的智能性智力或感覺、識別、決策等能力，比如防碰撞、最優動作路徑等；（4）獨立性完整的機器人系統在工作中可不依賴于人的干預，比如無人工廠。工業機器人沒有統一的分類標準，有按負載、控制方式、自由度、結構、應用領域、技術等級等分類，啟帆通常按機器人結構特征來劃分。工業機器人機構運動特征通常用其坐標特性來描述，可將其分為直角坐標、柱面坐標以及關節型，如圖1所示。

圖1 啟帆STS系列產品典型結構

目前全球機器人總銷量的70%集中在日本、中國、美國、韓國、德國[1]，而工業機器人市場基本被ABB、FANUC、YASKAWA、KUKA 四大家族所占據[1-2]。近年來各大廠商推出了許多新機型，這里選取啟帆STS系列代表性產品，如圖2所示。工業機器人技術正向著模塊化、系統化和智能化方向發展，比如結構的模塊化和可重構化；控制技術的網絡化和開放化；伺服驅動技術的分散化和數字化；多傳感器融合技術的實用化等[1,3]。

圖2 啟帆STS系列代表性產品

2 工業機器人組成

啟帆STS系列機器人基本為示教再現型，其產品主要由操作機、電箱和示教器組成，如圖3所示。如需增加感知和智能功能[4]，則由傳感器和軟件來實現。

2.1 操作機

操作機也稱作機器人本體，用來完成各種動作的執行機構，通常由機械臂、驅動單元、傳動裝置等組成。機械臂是由獨立旋轉的多關節連成一體的機械桿，可分為基座、腰部、臂部及手腕。驅動單元驅使機械臂運動，通常有液壓、氣壓和電3 種方式，而啟帆基本采用伺服電機驅動，且通常一個關節配一個伺服電機。啟帆傳動裝置基本是減速機，主要有RV 和諧波兩類，其中前者通常放置在基座、腰部、大臂等重負載位置；而后者通常放置在小臂、腕部等輕負載位置。

2.2 電箱

啟帆控制器，宏觀上稱做電箱或電控柜，如圖3～4所示，可將收到的指令通過各種硬軟件來控制操作機完成作業任務的裝置；狹義上，單指承載系統軟件的硬件，具有示教功能、記憶功能、坐標設定功能、位置伺服功能、傳感器接口、與外圍設備聯系功能、故障診斷安全保護功能等。

圖3 啟帆機器人組成

圖4 啟帆電箱內部

2.3 示教器

啟帆示教器也稱示教盒、示教編程器，通常由液晶屏和操作按鍵組成，是一個可手持移動的專用智能終端，如圖5所示，是人機交互的接口。通過示教器，基本可以完成機器人的所有操作，比如點動機器人；編寫、測試和運行機器人程序；設定、查閱機器人狀態和位置等。

圖5 啟帆示教器

3 技術指標

啟帆STS工業機器人主要技術指標有自由度、工作負載、最大工作速度和工作精度等，如表1 所示，另外運行范圍圖、控制方式、驅動方式、安裝方式、本體重量、電源容量、容許慣量、環境條件等可查閱產品說明書。

表1 啟帆SAR8-1400主要技術指標

4 應用案例

當今世界近50%的工業機器人集中使用在汽車領域[1,5]，主要進行搬運[3-4]、碼垛、焊接[3-5]、涂裝[4-5]和裝配等復雜作業。啟帆是國產機器人行業的中堅力量，產品涵蓋所有類型的工業機器人，具有強大的硬軟件實力和豐富的工程應用經驗。下面主要介紹啟帆STS系列機器人在沖壓、碼垛、焊接、涂裝等行業中的應用。

4.1 沖壓行業

圖6 所示為某一汽配沖壓件生產線[6]。在原有閉式壓機生產線工人操作工位，“一字布線”6 軸STS SRD50-2050 工業機器人若干臺，實現“多機聯線”自動化生產，從取料、上料，到沖壓各工序，如沖裁、彎曲、拉深等，全過程“一氣呵成”。該方案有很多優點：客戶不用調整原有工藝和設備或現有設備布局；生產效率顯著提升，高達50%；顯著減少人力成本，比如減少工人近50人等。

圖6 一字布線

4.2 碼垛行業

啟帆專門為不同客戶需求的搬碼揀作業開發了一系列機器人與解決方案[7]。如客戶有速度要求，可選用啟帆立式全關節碼垛機器人，如圖7所示；如客戶只做單線單碼，且有極致成本要求，可選用啟帆TX 系列碼垛機器人，如圖8 所示；針對上述產品的不足，啟帆又開發了大負載水平多關節SCH 系列機器人（圖1）。

4.3 焊接行業

圖7 啟帆SAR130機器人

圖8 啟帆TX系列

針對焊接行業的需求，尤其是弧焊，啟帆已經研發出了多款通用型弧焊機器人，比如SRD6-2050ID、SRK6-1450ID等，但為了更好地滿足客戶需求，更大地突破現有弧焊機器人應用的不足，啟帆創新性的開發了“XYZ架構+中空弧焊機器人456軸手腕的中空桁架機器人”解決方案[8]，如圖9所示。啟帆擁有完全自主的控制系統、完全自主的弧焊工藝軟件包、所有焊機參數內置、多種弧焊的快捷組合鍵示教盒等。

圖9 啟帆桁架機器人

4.4 噴涂行業

針對當前家具行業噴漆機器人拖動示教的不足，啟帆推出了全新的解決方案[9]：先經3D掃描，隨后啟帆三維視覺軟件識別來料尺寸，再經RobotSail離線編程軟件拾取定點，離線模擬計算噴涂路徑，從而自動生成技術數據，實現機器人的自動噴涂，如圖10 所示。啟帆智能CAM 系統具有：板料的高度、方向都不受限制；不額外占據噴涂房空間，且使編程者遠離了惡劣的工作環境；減少機器人的停機時間，當對其他任務編程時，機器人仍可工作；適用范圍廣，可對各種機器人進行編程，并能方便地實現優化編程；離線拖拽式示教路徑、實現噴涂效果渲染、自動規劃噴涂路徑等優點。

圖10 啟帆機器人噴涂

5 結束語

針對國內機器人行業快速發展而急需從業人員，本文以啟帆STS工業機器人為研究對象，系統地介紹了啟帆產品基本技術與行業應用，包括工業機器人的定義、特點、發展趨勢、組成及技術指標，為新從業人員快速上崗提供了參考和指導。